Сейсмическая модель строения Земли

Внутреннее строение Земли

Состав и строение глубинных оболочек Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Число прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограниченно. В этом плане особое место занимает минеральный агрегат из кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель мантийных пород, залегающих на глубине -250 км. Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12 262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке земного шара. Вместе с тем новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.

Сейсмическая модель строения Земли.

Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра.

Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо, М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.

Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В -зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D' (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.

Исследователи обратили внимание на то обстоятельство, что породы, находящиеся на поверхности, обладали значительно меньшей плотностью, нежели средняя плотность Земли. Анализируя разную плотность метеоритов и пород Земли, английский ученый Бургер предположил, что в центре Земли находится вещество с повышенной плотностью. Проверить это предположение стало возможным только с появлением геофизических методов исследования. Наиболее эффективным оказался сейсмический метод, основанный на изменении в скорости прохождения упругих волн (продольных и поперечных) в различных средах («сейсмос» в переводе с греческого – колебание, землетрясение). Суть этого метода заключается в том, что на поверхности Земли искусственно (путем взрыва) создают упругие колебания. Приблизительно за 20 сек. они могут пройти весь земной шар. Опытным путем было получено, что в плотных горных породах скорость упругих волн возрастает, в рыхлых – уменьшается, а в жидких распространяются только продольные волны. Поперечные здесь практически не проходят. Анализ сейсмических данных показал, что Земля состоит из трех основных частей: литосферы, мантии и ядра.

Рис. Оболочки Земли, выделенные по скорости распространения сейсмических волн.

Исследуя скорости прохождения продольных и поперечных волн с глубиной, австралийский ученый сейсмолог Р. Буклен и советский геофизик К.А. Куликов выделили в Земле 7 слоев (геосфер) – A, B, C, D, E, F и G.

А - земная кора – твердая верхняя оболочка Земли. Ее мощность колеблется от 3-5 км под водами океанов до 30-40 км в равнинных областях и до 50-80 км в горных районах (максимум под Андами и Гималаями). Земная кора – это часть верхней мантии, в которой мантийное вещество остыло и, перейдя в кристаллическое состояние, превратилось в горную породу.

Нижняя граница земной коры как бы зеркально повторяет поверхность Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, под океанами приближается к поверхности Земли.

Литосфера – это верхняя каменная оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию до кровли астеносферы. Она объединяет слои планеты, близкие по физическим свойствам и агрегатному состоянию вещества.

Литосфера по составу и строению неоднородна в горизонтальном и вертикальном направлениях. Вертикальная неоднородность определяется тем, что литосфера объединяет в себе земную кору и один из верхних слоев мантийного вещества, находящегося в кристаллическом состоянии. Горизонтальная неоднородность обусловлена наличием глубоководных впадин, базальтового ложа океана и нагромождением литосферных плит на континентах.

На глубине около 54 км югославский сейсмолог А. Мохоровичич, изучая зависимости времени пробега сейсмических волн от эпицентра до сейсмических станций, записанные во время землетрясения 8 октября 1909 г. на Балканском полуострове, обнаружил резкие изгибы кривых. Впоследствии эта граница получила название границы Мохоровичича. Она характеризуется резким скачком изменения скоростей продольных волн от 7,9 до 8,2 км/с, поперечных от 4,5 до 4,7 км/с. Таким образом, граница Мохоровичича отделяет земную кору от лежащей под ней мантии Земли.

Строение земной коры под океанами и материками различно. Под материками она называется континентальной, а под океанами – океанической.

Континентальный тип земной коры имеет различную мощность: в пределах континентальных равнин – платформ – 35-40 км, в молодых горных сооружениях 55-70 км. Строение земной коры: 1) осадочный (стратисфера), состоящий из осадочных горных пород, представленных глинами, песками, мергелями и карбонатными породами (скорость распространения сейсмических волн v_p=2-5 км/с). Мощность его меняется от нуля на щитах до 15 км в краевых прогибах платформ. 2) гранитно-метаморфический, образующий кристаллические древние породы, сильнометаморфизованные, с большим количеством кремнезема (v_p=5,5-6 км/с). Мощность от 10 до 25 км. 3) базальтовый, залегающий на глубине 15-20 км, сложенный амфиболитами и гранулитами – породами среднего и основного составов сильно метаморфизоваными с линзами серпентизированных ультраосновных пород (v_p=6,5-7,8 км/с). Средняя мощность около 20 км, под горными хребтами до 30-40 км.

На границе континентов и океанов выделяется переходный тип земной коры, в котором отмечается непостоянство мощностей «гранитного» слоя. Ближе к океанам он выклинивается, а при переходе к континентам он возрастает до мощностей континентальной коры.

Океанский тип земной коры, характерный для ложа Мирового океана, резко отличается от континентального как по суммарной мощности, так и по составу. В нем отсутствует гранитный слой. Мощность океанской коры колеблется от 5 до 12 км, в среднем составляя 6-7 км. Состоит она из трех слоев: 1) осадочный (верхний) слой рыхлых морских осадков имеет мощность от первых сотен метров до 1 км, реже больше; скорость распространения сейсмических волн в нем менее 3 км/с; 2) базальтовый слой, располагающийся ниже, мощностью от 1 до 1,5-3 км, характеризуется скоростью распространения сейсмических волн 4-4,5 км/с, представлен базальтовыми лавами с подчиненными прослоями кремнистых и карбонатных пород; 3) третий слой мощностью 3,5-5 км представлен основными (габбро) и частично ультраосновными (пироксениты) породами. Габбро местами метаморфизованы в амфиболиты.

Субокеанский тип земной коры приурочен к глубоководным котловинам окраинных и внутренних морей (южная котловина Каспия, Черное, Средиземное, Охотское и др. моря). Особенность строения этого типа земной коры заключается в большой мощности осадочных пород – до 4-10 км (местами до 15-20 км), залегающих непосредственно на слое со скоростями сейсмических волн 6-6,4 км/с и мощностью около 5-10 км. Суммарная мощность субокеанской земной коры колеблется от 10 до 20 км, иногда до 25 км.

Субконтинентальный тип земной коры характерен для островных дуг (Алеутской, Курильской и др.) и окраин материков. По строению он близок к материковому типу, но имеет меньшую мощность – 20-30 км. Особенностью субконтинентальной коры островных дуг является нечеткость разделения гранитного и базальтового слоев коры. В пределах пассивных окраин атлантического типа континентальный тип земной коры продолжается в подводную окраину материков, где общая мощность постепенно сокращается, а гранитогнейсовый слой вообще выклинивается в пределах континентального слоя.

Земная кора местами непосредственно залегает на астеносфере. В большей же части над астеносферой прослеживается литосфера.

Астеносфера – один из верхних слоев мантии, вещество, которое находится здесь в пластическом состоянии. Местами вещество астеносферы расплавлено. Под континентами расплавы установлены на глубине от 120 до 200 км, местами – и до 400 км, а под океаническими плитами с первых километров – до 70 км.

Вязкость мантийного вещества в астеносфере разная под океанами и материками. В этом заключается одна из причин движения литосферных плит по расплавленной, размягченной астеносфере.

С астеносферой связано положение фокусов многих землетрясений, свидетельствующих об ее активной роли в развитии геологических процессов. Земная кора вместе с частью верхней мантии до слоя астеносферы образует единый жесткий слой, который называется литосферой. В астеносфере наблюдается понижение скорости сейсмических волн, особенно поперечных и повышение электропроводности, что свидетельствует о своеобразном состоянии вещества, менее вязком, более пластичном по отношению к ниже и вышележащим слоям.

Мантия. Расположенную под земной корой оболочку называют мантией. Она занимает пространство от 8-80 до 2900 км глубины, неоднородна по своим свойствам, что устанавливается по изменению скорости распространения в ней продольных сейсмических волн. Все основные свойства - плотность, температура и др. – изменяются с глубиной, хотя само вещество в пределах мантии, по-видимому находится в основном в твердом состоянии. Температура в верхних частях мантии на глубинах порядка 100 км определяется 1000-1300⁰С, затем с глубиной она медленно повышается, и у границы с ядром достигает 2300⁰С. Столь высокая температура не вызывает, олнако, расплавления вещества, так как с увеличением давления температура плавления горных пород возрастает, а давление на больших глубинах достигает значений порядка сотен тысяч и миллиона атмосфер.

В - верхняя мантия на глубинах от 8-80 до 400 км подстилает земную кору, сложена г.о. ультраосновными породами типа дунита, перидотита. Под океанами в верхней мантии выделяется слой, в котором мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии.

С – промежуточный слой, или переходная зона (слой Голицына), размещается на глубинах 400-950 км. Состав его тот же, что и верхней мантии, но здесь в породах увеличивается содержание минералов с повышенной плотностью.

D – нижняя мантия, находится на глубинах 950-2900 км. Высокая плотность вещества в этом слое, очевидно, связана с сильным сжатием и появлением при относительно высоких температурах плотных модификаций кремнезема, оксидов железа и магния. Скорость продольных волн 11,3-11,4 км/с (гл. 900-1000 км), 13,6 км/с (гл. 2700-2900 км).

Между нижней мантией и ядром по геофизическим данным выделяется около 200 м переходного слоя – слой Б. Гутенберга.

Е – внешнее ядро на глубинах 2900-4980 км, состоит предположительно из сжатого жидкого железа с примесью кремния, никеля и серы. Радиус 3450-3500 км. Скорость продольных волн 10,4-10,5 км/с.

F – промежуточный слой на глубинах 4980-5120 км, выделяется по физическим свойствам. Мощность 300-400 км. Скорость продольных волн 9,5-10,0 км/с.

G – внутреннее ядро, по-видимому имеет состав внешнего ядра, но в результате сверхвысокого давления находится в твердом состоянии. Радиус 1200-1250 км. Скорость продольных волн 11,2-11,3 км/с.

Масса ядра составляет до 32 % всей массы Земли, а объем 16 % от объема Земли.